isotopo
Poiché gli isotopi (dal greco antico ἴσος isos "uguale" e τόπος topos "luogo agente") si riferiscono a tipi di atomi i cui nuclei atomici hanno lo stesso numero di protoni ma diversi, molti neutroni contengono. Hanno lo stesso numero atomico e quindi rappresentano lo stesso elemento ma hanno numeri di massa differenti ; Quindi ci sono isotopi di ossigeno , isotopi di ferro , ecc. I diversi isotopi di un elemento si comportano chimicamente in modo quasi identico.
Il nome deriva dal fatto che gli isotopi di un elemento si trovano nella stessa posizione nella tavola periodica . Sono mostrati separatamente su una mappa nuclide . Il termine isotopo è più antico del termine nuclide , che generalmente significa "tipo di atomo". "Isotopo" è quindi ancora spesso utilizzato nel senso di nuclide, ad es. H. anche se non stiamo parlando solo di atomi di uno stesso elemento. Il termine isotopo è stato coniato da Frederick Soddy , che ha ricevuto il Premio Nobel per la Chimica nel 1921 per il suo lavoro e le sue conoscenze nel campo degli isotopi e dei radionuclidi .
Per ogni elemento noto, ad eccezione dell'oganesson , sintetizzato per la prima volta nel 2006 , sono stati rilevati diversi isotopi (vedi elenco degli isotopi e mappa dei nuclidi ). Ci sono circa 3300 nuclidi conosciuti in totale. Circa 240 di loro sono stabili. Tutti gli altri sono instabili, cioè i loro atomi si trasformano in altri atomi attraverso il decadimento radioattivo dopo un periodo di tempo più o meno lungo. Per alcuni nuclidi tradizionalmente considerati stabili, questo tempo è così lungo che il loro decadimento è stato scoperto solo oggi o viene ancora ricercato negli esperimenti.
Dei 91 elementi presenti in natura, 69 si trovano in natura come miscele di diversi isotopi ( elementi misti ). I restanti 22 sono chiamati elementi puri . Il peso atomico chimico degli elementi misti è il valore medio delle varie masse atomiche degli isotopi coinvolti.
Designazione e notazione delle formule
La notazione è descritta in dettaglio in Nuklid . Nel testo, un isotopo è indicato dal nome dell'elemento o dal simbolo con il numero di massa allegato, ad esempio ossigeno-16 o O-16, ferro-56 o Fe-56. Le eccezioni sono a volte gli isotopi dell'idrogeno (vedere la sezione seguente).
Il numero di massa viene aggiunto al simbolo dell'elemento in alto a sinistra come simbolo di formula. Il numero atomico è già dato dal nome (il simbolo dell'elemento), ma può anche essere scritto nel simbolo dell'elemento in basso a sinistra, a condizione che - z. B. nelle reazioni nucleari - è interessante, come in
Se nella designazione appare una m (ad esempio 16m1 N), significa un isomero centrale . Se c'è un numero dopo la m , questa è una numerazione se esistono diversi isomeri.
Reazioni chimiche degli isotopi
Gli isotopi di un elemento hanno lo stesso guscio di elettroni. Di conseguenza, non differiscono nel tipo di possibili reazioni , ma solo nella loro velocità di reazione , perché questa è in qualche modo dipendente dalla massa.
Nel caso di elementi pesanti, tuttavia, la differenza di massa relativa è molto piccola. Il rapporto tra le masse atomiche di all'uranio 238 e uranio-235 è di 1: 1.013; non vi sono differenze evidenti nel loro comportamento chimico; per la separazione devono essere utilizzati metodi fisici (vedere arricchimento dell'uranio ). Per gli isotopi del litio litio-7 e litio-6, il rapporto è 1: 1,17; qui sono possibili metodi di separazione fisico-chimica (vedi litio ). Le differenze di massa dei tre isotopi dell'idrogeno sono molto grandi ( 1 H: 2 H: 3 H come 1: 2: 3), motivo per cui reagiscono chimicamente in modo leggermente diverso e hanno persino nomi e simboli chimici propri:
- Di gran lunga l'isotopo di idrogeno più comune 1 H è anche noto come protio o idrogeno leggero .
- L'isotopo 2 H è anche noto come deuterio o idrogeno pesante . Simbolo: D.
- L'isotopo 3 H è anche noto come trizio o idrogeno superpesante . Simbolo: T.
Il diverso comportamento chimico-fisiche di H e D mostra nella elettrolisi di acqua . L'acqua con 1 H normale reagisce preferenzialmente e viene scomposta in idrogeno e ossigeno, mentre le molecole d'acqua contenenti D ( 2 H deuterio, idrogeno pesante) si accumulano nell'acqua rimanente (rispetto al rapporto naturale di circa 1: 7.000).
Elementi misti ed elementi puri
Praticamente tutti i nuclidi presenti in natura sulla terra sono stabili (cioè non è stato osservato alcun decadimento) o sono radioattivi con un'emivita che non è significativamente più breve dell'età della terra . Questi sono chiamati nuclidi primordiali .
Sono noti un totale di circa 245 nuclidi stabili (vedi mappa dei nuclidi : i nuclidi stabili sono mostrati con uno sfondo nero). Nel caso di "stabile", tuttavia, occorre distinguere se il decadimento del nuclide sembra essere escluso dalla legge naturale o se sembra possibile ma non è stato ancora osservato. Il numero di nuclidi stabili in quest'ultimo senso è diminuito ripetutamente nel tempo: grazie a metodi di rilevamento migliorati, alcuni nuclidi precedentemente considerati stabili sono stati successivamente riconosciuti come radioattivi. Con la rilevazione della radioattività del bismuto -209 nel 2003 si è scoperto che il piombo -208 è il nuclide stabile più pesante e quindi il piombo è l'elemento più pesante con isotopi stabili.
Gli elementi che si verificano in natura sono per lo più elementi misti, i. H. Miscele di isotopi. Lo stagno ha gli isotopi più naturali con 10 isotopi, seguito da Xenon con 9 isotopi naturali, 8 dei quali sono stabili. Gli elementi che consistono in un solo isotopo naturale sono chiamati elementi puri . Un elemento puro ha esattamente un isotopo primordiale. Questa proprietà ha 19 elementi stabili e 3 instabili di lunga durata.
Isotopi noti
idrogeno
L'idrogeno è l'elemento con il più forte effetto isotopico chimico . L'idrogeno pesante ( 2 H o deuterio ) funge da moderatore nel reattore ad acqua pesante . L'idrogeno pesante ( 3 H o trizio ) è radioattivo. È creato nell'atmosfera dai raggi cosmici e nei reattori nucleari. Il trizio è stato utilizzato nelle vernici luminose per quadranti di orologi, ecc. Tra il 1960 e il 1998 circa. In futuro, deuterio e trizio verranno utilizzati in quantità maggiori come combustibile per i reattori a fusione nucleare .
elio
L'elio è l'elemento con il più forte effetto isotopico fisico . Nella fascia di bassa temperatura, in particolare , i due isotopi dell'elio si comportano in modo molto diverso, poiché 3 He è un fermione e 4 He è un bosone .
carbonio
Un isotopo ben noto è il 14 C radioattivo , che viene utilizzato per determinare l'età dei materiali organici ( archeologia ) ( metodo del radiocarbonio ). Il carbonio naturale si trova principalmente negli isotopi stabili 12 C e 13 C. 14 C è formato da azoto in strati atmosferici elevati.
ossigeno
Il rapporto tra i due isotopi stabili dell'ossigeno 18 O e 16 O viene utilizzato per studiare le temperature paleo . Gli isotopi stabili dell'ossigeno sono adatti anche come traccianti naturali nei sistemi acquatici.
uranio
L'isotopo 235 U viene utilizzato come combustibile nelle centrali nucleari . Per la maggior parte dei tipi di reattori, l' uranio naturale deve essere arricchito con 235 U. Quasi puro 235 U viene utilizzato in alcune armi nucleari .
Isotopi nell'analisi
Nelle misurazioni dello spettro ottico con risoluzione sufficiente, gli isotopi di un elemento possono essere differenziati dalle loro linee spettrali ( spostamento isotopico ).
La composizione isotopica in un campione viene solitamente determinata con uno spettrometro di massa , nel caso di isotopi in traccia con spettrometria di massa acceleratrice .
Gli isotopi radioattivi possono spesso essere identificati dai loro prodotti di decadimento o dalle radiazioni ionizzanti emesse .
Gli isotopi svolgono anche un ruolo nella spettroscopia NMR . Ad esempio, il comune isotopo di carbonio 12 C non ha momento magnetico e quindi non è osservabile. Le indagini sul carbonio possono quindi essere condotte solo utilizzando l' isotopo 13 C, molto più raro .
Gli isotopi sono anche usati nella delucidazione dei meccanismi di reazione o del metabolismo con l'aiuto della cosiddetta etichettatura degli isotopi .
La composizione isotopica dell'acqua è diversa e caratteristica in diversi luoghi del mondo. Queste differenze consentono di verificare la dichiarazione del luogo di origine per alimenti come vino o formaggio .
Lo studio di alcuni modelli di isotopi (in particolare i modelli di isotopi 13 C) nelle molecole organiche è chiamato analisi degli isotopomeri. Tra le altre cose, consente la determinazione dei flussi di materiale intracellulare nelle cellule viventi. Inoltre, l'analisi dei rapporti 13 C / 12 C, 15 N / 14 N e 34 S / 32 S è oggi molto diffusa in ecologia . Sulla base del frazionamento, i flussi di massa possono essere nella traccia delle reti alimentari o nei Trophieniveaus determinare le singole specie. Gli isotopi stabili servono anche come traccianti naturali in medicina .
In idrologia , le conclusioni sui processi idrologici sono tratte dai rapporti di concentrazione degli isotopi. Il ciclo dell'acqua accompagna la maggior parte dei flussi di materiale sopra e sotto la superficie terrestre. Il Vienna Standard Mean Ocean Water (VSMOV) viene spesso utilizzato come riferimento.
La geochimica si occupa degli isotopi nei minerali , nelle rocce , nel suolo , nell'acqua e nell'atmosfera .
Guarda anche
letteratura
- Werner Stolz: Radioattività. Nozioni di base, misurazione, applicazioni. 5a edizione. Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-519-53022-8 .
- Bogdan Povh , K. Rith , C. Scholz, F. Zetsche: Particles and nuclei. Un'introduzione ai concetti fisici. 7a edizione. Springer, Berlino / Heidelberg 2006, ISBN 978-3-540-36685-0 .
- Klaus Bethge , Gertrud Walter, Bernhard Wiedemann: Fisica nucleare. 2a edizione. Springer, Berlino / Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41444-4 .
- Hanno Krieger: Nozioni di base sulla fisica delle radiazioni e sulla protezione dalle radiazioni. 2a edizione. Teubner, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8351-0199-9 .
link internet
- Grande tavolo di isotopi presso l' Agenzia internazionale per l'energia atomica (AIEA)
Prove individuali
- ↑ Pierre de Marcillac, Noël Coron, Gérard Dambier, Jacques Leblanc, Jean-Pierre Moalic: Rilevazione sperimentale di particelle α dal decadimento radioattivo del bismuto naturale . In: Natura . nastro 422 , n. 6934 , aprile 2003, p. 876-878 , tabella dei risultati 1 , doi : 10.1038 / nature01541 .
- ↑ Paul Königer: Tracciante approcci idrologici alla determinazione della nuova formazione di acque sotterranee . Inst. Per l'idrologia, Friburgo i. Br.2003 , DNB 969622139 ( PDF - più tesi, Università di Friburgo).